前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的生態淺層滲濾系統效果與機理，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
0前言 非點源污染在我國城市水體環境保護中正在成為越來越突出的問題。非點源污染控制技術是改善水環境質量的重要研究內容，其中源頭污染減量研究被認為是城市非點源污染控制的首要環節［1］。生態淺層蓄滲技術因其高效快速、成本低、占地少、操作簡便等優點而受到人們越來越多的關注［2］。作為最佳管理措施（BMP）的一種，淺層滲濾技術在一些發達國家得到了很大的發展，目前已取得不少成果，也有許多實際工程運行［3，4］。本研究根據上海地區下墊層土壤結構特點，通過以上海市典型的褐黃色粉狀粘土為主配比的人工土作為滲濾層，建立與其下墊層結構相應的生態淺層滲濾中試裝置。并以上海市公路雨水徑流為處理對象，考察滲濾系統對雨水徑流長期的凈化效果，分析各參數和運行條件對城市非點源污染物降解的強化效果和影響機制，并就雨水徑流污染物在滲濾系統中的環境行為及凈化機制進行探討，為城市非點源污染的生態治理技術提供可借鑒的參考。 1材料與方法 本試驗構建不同結構的淺層滲濾系統開展平行試驗，進行路面徑流污染的凈化效果研究。裝置均由PVC塑料板制成，周邊以加強筋固定，有效尺寸為：長×寬×高＝1．0m×0．5m×1．0m。各處理單元從上至下每隔10cm分別設置一個取土口和出水口。底部設置接收端口收集濾液、徑流液進行水質分析。 1．1模擬滲濾系統的設計思路與方法 在模擬滲濾系統設計中，充分考慮以下問題：①根據國外已建成的生態淺層蓄滲系統的特點，上層為植物種植層，下部為排水性較好的混合土壤滲濾層；②根據南方地區地下水位高以及土層構成的特點，設置兩套典型的不同結構的滲濾系統。 1．2滲濾系統的構成與試驗 設置根據淺層滲濾的特點，對滲濾裝置采用以下兩種方法進行填充（分別記作結構1和結構2），滲濾系統土壤層結構組成如圖1和圖2所示。結構1：從上至下依次為種植層、土壤滲濾層和承托層（儲滲）。最上部約20cm厚的表層土是植物生長的土壤，種植具有較好脫氮效果的高羊茅（fes－tucaarundinacea），稱之為“種植層”。“滲濾層”是雨水凈化的主要作用層，由厚度約為0．3m的人工混合土壤構成，底部鋪設0．2m厚、粒徑0．2～4mm的經破碎篩分的建筑廢棄物，同時起到儲滲層的作用。該形式的滲濾系統底部由較厚的建筑廢棄物構成，沒有滲濾限制層，雨水滲濾速度較快，代表地下水平均水位大于1m的區域，底部設有儲滲層且滲透性能較好的淺層地下滲濾系統。根據滲濾介質的不同，該結構的滲濾系統設置3組模擬裝置，分別為：①裝置1：原土＋石英砂（5∶1）；②裝置2：原土＋木屑（5∶1）③裝置3：原土＋煤灰渣（5∶1）。填充好的三套模擬滲濾裝置依次簡稱S1、S2、S3。結構2：從上至下依次為種植層、土壤滲濾層、原狀土層以及排水層。和結構1相比，最大的區別是在滲濾層的底部增加了原狀土層，為了便于試驗設施的排水，底部設置了排水層（礫石層），主要作用是便于排水取樣。從上至下礫石的粒徑從小到大，粒徑范圍從2～4mm增加至16～32mm，空隙率約為35％。該形式的滲濾系統底部存在著滲透性能較差的原狀土滲濾限制層，其特點是雨水滲濾系統下層滲透性減弱，在整個滲濾過程中滲濾速度較慢，容易在底部的滲濾層形成飽水層，利于污染物的反硝化。其代表滲透性能相對較差的淺層滲濾系統，符合上海的實際情況，較為常見。模擬裝置設置同結構1。填充好的3套模擬滲濾裝置分別簡稱W1、W2、W3。 1．3試驗設計 試驗分三階段進行：（1）試驗準備階段。試驗裝置裝填完畢，向內投加清水，連續滲流2周，使土樣充分飽水，以改善土層的孔隙結構，同時淋洗混合土壤本底氨氮、重金屬等，至滲流速度和污染物出流穩定。（2）試驗啟動階段。本試驗采用了降雨－落干交替的運行方式，維持土壤干濕交替環境的自然啟動方式。（3）試驗正式運行階段。為了模擬自然條件下雨水徑流在土壤中的下滲凈化過程，在整個試驗過程中，進水均采用間歇布水方式，降雨采用模擬降雨器均勻布水，計時器控制每天進水1h，落干3d。降雨強度是根據上海多年的降雨統計資料，選擇多年年平均場降雨量10．72mm為一次試驗的降雨量參考，同時考慮到不透水面匯入滲濾系統的雨水徑流量，所以實際每次的進水強度為35．73mm。每次試驗過程中間隔1～2h取一次下滲的路面徑流樣品并測定其中的污染物濃度，最終出水濃度數據取幾次出水的平均值，試驗運行周期約為1d。 1．4進水水質試驗 用水取自中山北二路路面雨水口的實際雨水，該路段為水泥瀝青路面，雙向四車道，取樣點處于道路轉彎處，路面雨水徑流經道路一側的落水管排入地面雨水管接口，對應匯水面積約300m2，日均交通量約30000輛。試驗水質如表1所示。 2結果與分析 2．1COD的去除效果 滲濾系統對有機污染物的去除主要通過過濾截留、吸附和生物降解作用共同完成。圖3為不同模擬滲濾系統按照1次進水落干3d的水力負荷周期長期運行（約為1a）時COD的出水濃度和去除率。結果表明，各類型滲濾系統對公路雨水徑流中COD具有較好的處理效果，出水濃度大都在100mg／L以下，去除率基本在60％～80％?？偟膩碚f，進水在一定范圍內波動，滲濾系統出水水質相對穩定，說明系統具有較強的抗負荷沖擊能力，即便是對降雨產生的高污染初期雨水仍有很好的去除效果。其中結構2各模擬滲濾試驗裝置對COD的去除效果要明顯好于結構1，添加煤渣的試驗裝置出水效果則要明顯好于其他試驗裝置。滲濾系統對有機物的去除，首先與滲濾系統中土壤的組成和性質有關。由于粘土的顆粒細小、比表面積大、比表面能大，因此具有較強的吸附力［5］。它們通過對有機物質的物理、化學作用的截留吸附，使得大部分的有機物質被固定于滲濾系統的濾層中。以模擬滲濾裝置W1為例，圖4給出了試驗期間滲濾裝置上層土壤和下層土壤性質的變化情況。由圖4可知，上層土壤有機質含量明顯高于下層土壤。第一次進水前上層土壤有機質含量平均為16．6mg／g，經過數月的運行之后，升至24．1mg／g。下層土壤有機質變化相對較小，降雨結束之后僅比第一次降雨前增加了1．67mg／g。這進一步說明土壤截留是去除雨水徑流中有機物的重要機制。當自然土壤中添加煤灰渣后，煤渣巨大的比表面積使濾床對污染物的吸附和截留作用有所加強，而且為微生物提供了更好的生存空間，一方面，土壤中的微生物利用其吸附的有機污染物和N、P物質作為自身的碳源完成生長代謝需求，進一步提高了系統對有機物的處理效果；另一方面，由于煤渣中含有一定比例的鐵和碳，它們產生的微電解作用可能對有機污染物質去除也會起到一定的貢獻。此外，滲濾系統的下層土壤結構對COD的去除也會產生較大的影響。結構1各模擬滲濾試驗裝置由于土壤質地沒有明顯分層，整個滲濾層人工土壤滲透性能好，沒有滲濾限制，雨水在系統中的停留時間較短，出水水質相對較差；相反，結構2各模擬試驗裝置由于底部設有一層原狀土層，土壤滲透系數小，延長了有機物吸附和生化反應時間，提高了COD的去除效果。#p#分頁標題#e# 2．2NH3—N的去除效果 雨水徑流中的NH3—N進入土壤后經基質的吸附、氮揮發、硝化以及最后的反硝化作用被去除；其中，硝化、反硝化作用是主要途徑［6］。模擬滲濾試驗裝置對雨水徑流中氨氮的去除作用見圖5。試驗結果表明，不同模擬裝置對路面徑流中的NH3—N均具有明顯的去除效果，各試驗裝置出水濃度多低于1．3mg／L，略高于上海市淺層地下水的背景值（見表2），說明雨水徑流經滲濾之后不會進一步加劇淺層地下水的污染。結構1各試驗裝置的去除率主要集中在50％～70％，變幅較大。其中添加木屑的試驗裝置S2和添加煤灰渣的試驗裝置S3的處理效果要好于添加石英砂的試驗裝置S1。結構2各滲濾試驗裝置去除率的變化范圍較小，去除率大多都在70％～78％。即使對同一類型的滲濾系統來說，不同進水濃度下污染物的去除率也存在著一定的差異，變化不顯著。由圖5可以看出，在進水NH3—N突然升高的情況下，出水濃度并沒有相應地跟隨突增，而是保持在相對穩定的水平，這說明系統具有一定的抗沖擊負荷能力。在徑流滲濾過程中，NH3—N一般先通過土壤介質吸附，再在硝化細菌的作用下被氧化成硝態氮而得到去除。混合土壤介質表面和微生物表面帶有負電荷，NH＋4在滲濾系統的滲濾過程中，很容易被吸附。土壤微生物再通過硝化作用將吸附的氨態氮轉化為硝態氮，滲濾介質又可恢復對NH＋4的吸附功能。因此，各滲濾系統對NH3—N均取得較好的去除效果。根據吳敦敖等［8］的研究，粘性土壤對NH3—N有很強的吸附作用，而且表土層中還有微生物進行強烈的氨化和硝化作用，因此NH3—N很難穿過非飽和土層而污染地下水。這和本研究的結果基本一致。如圖6所示，試驗測定了滲濾系統基質吸附的NH3—N量。與試驗啟動時相比，在整個試驗結束之后，各土壤層的NH3—N含量都有所增加，其中表層土壤NH3—N吸附量在0．013～0．027mg／g，明顯低于下層土壤的0．041～0．097mg／g；添加煤渣的試驗裝置NH3—N吸附量也明顯高于其他試驗裝置。這一方面說明煤渣的加入增強了土壤的NH3—N吸附性能；另一方面由于土壤對NH3—N的吸附量受填充位置的影響，在土壤表層，微生物較為豐富，DO濃度較高，植物的吸收作用以及NH＋4的硝化作用，利于NH3—N的去除。此外，滲濾系統下墊層結構也是決定滲濾系統運行效果的另一個重要因素。從圖5中可以看出，NH3—N去除率關系為結構2各模擬滲濾裝置＞結構1各模擬滲濾裝置。造成這種差別的原因主要是由于土壤墊層的結構不同。雨水在下設原狀土層結構的滲濾系統中的遷移速度慢，緩慢的流動提供了更多的溶質與顆粒表面的接觸機會，因而吸附量更大，也有利于微生物在短期內繁殖，因而雨水徑流中的NH3—N可以得到較為充分的去除。 2．3NO－2—N和NO－3—N的去除效果 NO－2是硝化、反硝化作用的中間產物，在滲濾系統中很不穩定，一定條件下容易轉變成NO－3或N2。NO－3一般不被帶負電的土壤膠體所吸附，在滲濾系統中遷移能力很強。隨著NO－3—N向下淋滲，伴有一定量的NO－3—N向地下水遷移。吳敦敖等［8］的研究結果表明，土樣的酸堿度和有機質含量，對氮在遷移過程中的轉化有重要影響作用。含有機質較低的堿性土樣，硝化速率大，反硝化容量小，有利于NO－3—N向地下水遷移。因此，造成淺層地下水污染的氮主要是NO－3—N，需要特別關注。模擬試驗裝置對雨水徑流中NO－2—N和NO－3—N的去除效果見圖7、圖8。如圖7所示，滲濾系統對NO－2—N表現出了極好的去除效果，去除率基本在80％～90％，出水濃度基本上都在0．1mg／L以下。這可能是因為NO－2—N不穩定，在系統內發生了轉化。從圖8可以看出，結構1各滲濾系統的NO－3—N出水濃度較高，除了添加木屑的試驗裝置S2外，S1和S3的去除率多為負值，這說明上一次布水時人工土壤介質吸附的氨氮在好氧條件下部分轉化成了硝態氮。由于滲濾系統采用了進水和落干相交替的運行方式，一次進水和落干3d組成一個水力負荷周期，在落干期系統可能會發生復氧。落干期間，濾層表面和濾層內的水向下滲流，當濾層內的水排空后，濾層內的一部分孔隙被騰空，且形成負壓，空氣便擴散（或對流）進入被騰空的空隙，滲濾系統實現自然復氧。同時該結構的滲濾系統本身濾層比較單一，雨水在系統中滲濾流速大，增強了系統的復氧效果。這樣不利于屬于厭氧菌的反硝化菌發揮作用，硝態氮出水濃度偏高。有研究表明［4］，快速滲濾系統中濾層表面以下1m深度內，Eh變化明顯，落干期最大可達＋400mV。也就是說，采用淹水－落干的運行方式，甚至可以使空氣中的氧擴散至滲濾層表面以下1m深度內。因此，該形式的滲濾系統具有較強的硝化能力，缺點是反硝化效果不理想。相比較而言，下設原狀土層的模擬滲濾系統對NO－3—N去除效果明顯較好。其中添加木屑的裝置處理去除效果最好，去除率大多都在65％以上，有的甚至高達72．4％。這是因為NO－3在厭氧、存在易降解有機碳（OC）的環境中，較容易通過微生物反硝化作用而被去除。其中溶解氧是影響反硝化作用的重要因素。許多研究結果己經表明，溶解氧＜0．2mg／L時，反硝化作用才能發生。有機質除了作為電子供體外，它還是微生物的一種呼吸基質，是微生物細胞的合成物質并獲得維持微生物生長所需的能量。因此對于生長在缺氧環境中的反硝化細菌，有機質含量是限制其活性的主要因素之一。一般認為C／N＝（6～7）∶1較適合微生物的反硝化過程，低的有機質濃度不利于反硝化作用的進行。當滲濾系統底部增設一層原狀土層后，減緩了雨水的出流速率，相當于在滲濾層下部增設了飽水層，這樣處于長時間淹水狀態的厭氧條件為反硝化菌提供了發育環境。由于徑流雨水中可被微生物利用的碳源較少，自然土壤中有機質含量較低，反硝化過程受到限制，因此，盡管采用了該結構的滲濾系統，由于缺少有機質作為反硝化的碳源，添加石英砂的模擬滲濾裝置W1和添加煤渣的滲濾裝置W3對硝態氮的去除率仍偏低。在土壤中均勻混入一定比例的木屑之后，由于增加了土壤有機質的含量，系統對硝態氮的去除效果則顯著提高。Michael等［9］研究也發現，雨水花園土壤滲濾層中添加了碎木條之后，氮的去除效果顯著增加。由此可知，在增設飽水層（或原狀土層）的滲濾系統中，通過添加木屑等有機改良材料，可以使主要通過擴散機理遷移的硝態氮迅速減少，阻礙了硝態氮向深層土壤中遷移，有效地避免地下水的污染。#p#分頁標題#e# 2．4重金屬的去除效果 雨水徑流中的鉛來源于汽車燃料的防爆劑；鋅是由于汽車輪胎摩擦路面產生的；銅主要來自汽車剎車片的磨損。對滲濾系統進出水中重金屬的濃度進行了測試，測試結果如表3所示。從表3可以看出，進入滲濾裝置中的重金屬元素大部分都能被去除，兩種結構的滲濾系統出水效果都較好。除添加煤渣的裝置外，重金屬Zn的出水濃度遠遠低于上海地區淺層地下水的背景值；Pb的出水濃度和淺層地下水的背景值相近；Cu的出水濃度則要高于背景值?？傮w上來說，不同結構的滲濾系統對徑流中的重金屬均取得了較好的去除效果，淺層蓄滲不至于明顯加重淺層地下水重金屬的污染。這主要是因為金屬元素在土壤層中發生了復雜的物理化學反應，例如，膠體微粒的物理吸附、離子交換或發生化學反應生成螯合物等，從而導致大量金屬被截留在滲濾系統的土壤層中。 3結論 （1）不同結構的模擬滲濾系統對路面徑流污染物均具有較好的凈化效果，并表現出良好的耐沖擊負荷能力。試驗結果表明，模擬滲濾裝置出水COD濃度大都在100mg／L以下，相應的去除率大多都在60％～80％；出水NH3—N多數在1．3mg／L以下，去除率基本在50％～70％，變幅較大；NO－2—N去除率大多都在80％～90％，出水濃度基本上都在0．1mg／L以下。（2）通過滲濾，徑流中污染物的含量顯著減少?？偟膩碚f，下設原狀土層的滲濾系統由于在滲濾層的底部形成了飽水層，NO－3—N出水效果明顯好于其他結構的滲濾系統。在下設有原狀土層的滲濾裝置中，添加木屑等有機改良材料的裝置，可以使主要通過擴散遷移的硝態氮迅速減少，阻礙硝態氮向深層土壤中遷移，有效地減輕或者避免對地下水的污染。因此，在地下水位非常高的區域（小于1m），由于雨水徑流滲濾路徑較短，為了減小氮對地下水的威脅，建議直接在原狀土層上建淺層滲濾系統，同時添加有機材料作為土壤的改良材料，這樣可以顯著提高對污染物（特別是氮）的去除效果，這也是控制淺層地下水免受地表徑流污染的有效措施。
